| dc.description.abstract | De siste årene har det vært høy aktivitet knyttet til autonomi i skip. Grunnet relativt lav operasjonskompleksitet, utgjør bilferger en god kanditat for å drive utviklingen mot økt autonomi i skip. Denne avhandlingen presenterer to komponenter for kontrollsystemet til en autonom ferge.
Den første komponenten er en kontrollallokasjonsalgoritme for baug-hekk symmetriske ferger med symmetrisk thrusteroppsett. Dette er et standard design for bilferger, med en sentrert azimuth-thruster i hver ende. Allokeringproblemet blir formulert ved hjelp av utvidet thrust representasjonen, som resulterer i et fire-dimensjonalt begrenset ulineært optimaliseringproblem. Ved å bruke thrustkonfigurasjonsbegrensningen foreslås en reformulering av optimaliseringsproblemet. Dette reduserer problemet til et ulineært bunded skalart optimaliseringsproblem. For denne typen problem finnes det raske og robuste løsere. Videre foreslås kostfunksjoner og begrensninger. Når en ferge legger til kai manuelt er det vanlig å snu thrusterne slik at de peker mot hverandre. Dette gir raskere respons fra ønsket kraft til produsert kraft. Den nye kontrollallokasjonsalgoritmen støtter denne måten å styre thrusterne på ved å bruke den foreslåtte kostfunksjonen og begrensningen. Algoritmen er testet i et simuleringsstudie med en bilferge og i fullskala eksperiment med en passasjerferge. Resultatene fra simuleringen indikerer mindre feil mellom ønsket og produsert kraft sammenlignet med eksisterende metoder. De eksperimentelle resultatene viser god ytelse for dynamisk posisjonering når den nye kontrolallokasjonsalgoritmen brukes. Ved å sammenligne kjøretiden til den nye algoritmen med en kvadratisk programmerings metode viser resultatene at den nye er 37.8 ganger raskere, i gjennomsnitt. Den har også en smalere fordeling av kjøretider, som er en ettertraktet egenskap for bruk i et sanntidskontrollsystem.
Den andre komponenten er en resettende tilstandsestimator. Tilstandsestimatoren kan brukes for generiske linære tidsvariende system, men har særlig interessante anvendelser for dynamisk posisjonering av marine overflatefartøy. Motivasjonen for å utvikle en resettende tilstandsestimator er bedre håndtering av umodellert dynamikk og reaktivitet for eksterne forstyrrelser uten å gå på bekostning av ytelsen ved steady-state. Tilstandsestimatene i kontinuerlig tid beregnes fra en Luenberger tilstandsestimator. Et resett utløses dersom estimeringsfeilen overskrider forhåndsdefinerte grenser. Det nye tilstandsestimatet beregnes fra en tilstandsestimator som konvergerer i endelig tid (finite-time observer). Ligningene for en tilstandsestimator som konvergerer i endelig tid for et lineært tidsvarierende system utledes, og en metode for å beregne trasisjonsmatrisene online presenteres. Den resettende tilstandsestimatoren formuleres i et rammeverk for hybride dynamiske systemer, og tilstrekkelige betingelser for Uniform Global pre-Asymptotisk Stabilitet gis. Et case-studie gjennomføres for dynamisk posisjonering av et offshore supply fartøy. Åpen-løkke-resultater viser lovende ytelse med forbedret transient ytelse når skipet utsettes for en ekstern forstyrrelse.
Til slutt gjøres et simuleringsstudie hvor både kontrollallokasjonsalgoritmen og den resettende tilstandsestimatoren testes sammen i kontrollsystemet til en bilferge som legger til kai automatisk. Simuleringsresultatene viser god ytelse. Dette gir økt tiltro til deres bruk i kontrollsystemet til en autonom ferge. | |
| dc.description.abstract | In the recent years, there has been high activity related to autonomy in ships. Due to the relatively low mission complexity of ferry operations, ferries make a good candidate for piloting the transition towards increased autonomy in ships. This thesis presents two novel components for an autonomous ferry control system.
The first component is a control allocation algorithm for double-ended ferries with symmetrical thruster configuration. This is a standard setup for car ferries, with one centered azimuth in each end. The allocation problem is formulated using the extended thrust representation. This results in a four dimensional constrained nonlinear optimization problem. Using the thrust configuration constraint, a reformulation of the optimization problem is proposed, reducing the problem to a nonlinear, bounded scalar optimization problem. For this class of problems, there exists fast and robust solvers. Next, cost functions and bound constraints are proposed. During manual docking of ferries, it is common to have the thrusters pointing in opposite directions, and giving each a mean thrust against each other. This gives faster response from commanded to produced forces. The novel control allocation algorithm can support this mode of operation using the proposed constraints and cost function. The algorithm is tested in a simulation study with a car ferry and in full-scale experiments with a passenger ferry. The results from simulation indicates reduced error between the commanded and produced forces compared to existing methods. The experimental results demonstrate good dynamic positioning performance when using the novel control allocation algorithm. Comparing the computational complexity to a quadratic programming approach, the novel algorithm is, on average, 37.8 times faster, with a more narrow distribution of run times. This is a desired property in a real-time control system.
The second component is a resetting observer. The observer is applicable to generic linear time-varying systems and has particularly interesting applications for dynamic positioning of marine surface vessels. The motivation for designing a resetting observer is better handling of unmodelled dynamics and reactiveness to external disturbances without compromising steady-state performance. The continuous-time estimates are calculated from a Luenberger observer. A reset is triggered if the output estimation error exceeds predefined bounds. The new state estimates after a jump is calculated using a finite-time observer approach. The finite-time observer equations are derived for linear time-varying systems, and a method for online calculation of the state transition matrix is presented. The resetting observer equations are formulated in a hybrid dynamical systems framework, and sufficient conditions for Uniform Global pre-Asymptotic Stability are given. A case study is conducted for dynamic positioning of an offshore support vessel. Open-loop results show promising performance with improved transient performance when subject to an external disturbance.
Finally, a high-fidelity simulation study is performed, using both the control allocation and resetting observer in an autonomous docking operation for a car ferry. The simulation results show good performance, building confidence in the usability of the new components in an autonomous ferry control system. | |
